Електрозадвижвания средно напрежение – част 2

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2014

 Част 2. Видове пускови методи, комутационна и защитна апаратура. Пускови методи без честотно регулиране за асинхронни двигатели с кафезен ротор и синхронни двигатели

B съвременните инсталации за задвижване средно напрежение (СН) се използват типово изпитани КРУ за комутация и защита на двигателите. Те могат да включват в зависимост от пусковия метод:

• защита - автоматични прекъсвачи (въздушни, вакуумни, елегазови) или комбинации товаров прекъсвач-стопяеми предпазители.
• контактори (въздушни, вакуумни, елегазови); броят им зависи от пусковия метод.
• реактори за реакторно пускане или автотрансформатори за автотрансформаторно пускане; вградени в КРУ, а при особено големи инсталации може да са отделно стоящи.
• софтстартери СН.
• спомагателни устройства – защити от пренапрежение, устройства за компенсиране на реактивната мощност, отсек за управление и защита и т.н.

Директно включване
Това е безспорно най-простият и най-евтин метод, стига захранващата система и характеристиката на товара да го позволяват, както беше коментирано в първата част на статията (сп. Инженеринг ревю бр. 4/2014).

Големината на пусковия ток при този метод достига до стойността на късо съединение (тока на блокиран ротор): от 4 до 7 пъти номиналния, в зависимост от конструкцията на двигателя, и трябва да бъде проверена възможността на захранващата уредба да го издържи по критериите, коментирани в първата част на материала. Механичната характеристика на двигателя трябва да удовлетворява изброените там изисквания за съгласуване с товара.

В добавка, при директно включване са налице механично ударно натоварване на задвижвания механизъм, приплъзване на ремъчни предавки и повишено износване на лагери и предавки, а също така хидравличен удар в тръбопроводите на помпите. Преди да се избере методът на директно включване трябва да е ясно, че и задвижваното оборудване може да издържи тези натоварвания.

При малка честота на включване – до 1 път на ден, еднакво подходящо е да се използва автоматичен прекъсвач или комбинация от контактор средно напрежение и комбиниран товаров прекъсвач със стопяеми предпазители за средно напрежение. При честота на включване от няколко пъти на ден вариантът с контактор е по-подходящ. При още по-голяма честота методът на директното включване надали въобще е най-подходящият вариант, предвид повишения термичен и механичен стрес, както и на честите фликери, предизвикани в захранващата мрежа.

Неелектрически средства за регулиране на съпротивителния момент на товара
Една такава възможност е пускане на центробежни помпи със затворен нагнетателен тръбопровод и постепенно отваряне след развъртане на двигателя. Методът е приложим както за синхронни, така и за асинхронни двигатели, при положение че технологичният процес го позволява.

Трябва да бъде подбрана подходяща арматура или да се използват помпи с управляем направляващ апарат, което е целесъобразно само за големи мощности. Регулирането на производителността на помпите в продължителен режим по този начин е непрепоръчително, тъй като е съпроводено със загуби и износване на хидравличното оборудване.

Друга възможност е използването на хидравличен съединител. При него в началния момент на развъртането двигателят се натоварва единствено с вътрешното съпротивление на съединителя. С покачването на оборотите на двигателя се увеличава количеството хидравличен флуид, изпомпван към работното колело на съединителя и така се увеличава двигателният момент, прилаган към товара.

Изборът на характеристики на хидравличния съединител така, че да пасват на механичната характеристика на товара, е сложна инженерна задача. В работен режим след развъртане на двигателя до номинални обороти, съединителят остава да работи, като има свое собствено хлъзгане, което води до отделяне на топлина в него и съответно – загуби на енергия. Хидравличният съединител е капризно устройство, което изисква поддръжка. Всички тези недостатъци правят използването му все по-рядко.

Включване звезда-триъгълник
При електрозадвижвания ниско напрежение това е много разпространен метод, тъй като след директното включване той е най-евтин и осигурява пуск при намален пусков ток. При средно напрежение обаче той е малко разпространен. Двете основни причини за това са:
• силно намаленият (3 пъти) пусков момент, ограничаващ избора на този метод само до товари с нисък начален съпротивителен момент;
• наличието на пик на тока и на момента по време на превключването от звезда в триъгълник.

Принципът на този метод се основава на намаленото напрежение при пуск (вж. коментарите и фигурата за зависимостта на тока и момента на асинхронните двигатели от големината на напрежението в първата част на статията). Подбира се двигател за номиналното напрежение на мрежата при свързване на намотките в триъгълник. Тогава при пускане със свързана в звезда статорна намотка напрежението на всяка от намотките, респективно фазните токове, се намаляват Ц3 пъти, а линейният пусков ток, черпен от мрежата – съответно 3 пъти.

Също така 3 пъти обаче се намалява и пусковият момент (вж. фиг. 1а). Следователно, нужно е съпротивителният момент на товара да е достатъчно малък както в началния момент, за да започне развъртането, така и по време на целия процес на пускане, така че да се осигури достатъчна разлика между двигателния и съпротивителния момент, респективно приемливо от термична гледна точка време за развъртане. Така методът звезда-триъгълник е подходящ само при товари с нисък начален съпротивителен момент.

Моментът на превключването от звезда в триъгълник трябва да бъде преценен по време на наладката на системата (вж. фиг. 1б). Прекалено ранно превключване води до скокообразно покачване на пусковия ток до стойности близки до тези на пусковия ток при директно пускане, при което смисълът на този пусков метод се губи. При прекалено късно превключване има риск от нарушаване на положителния баланс между двигателния и съпротивителния момент, продължителна работа на ниски обороти с голям ток и прегряване.

При всички случаи в момента на превключване от звезда в триъгълник възниква преходен процес, свързан с кратковременни пикове на тока, които могат дори да надхвърлят тока на късо съединение на двигателя и пренапрежения, които водят до преждевременно състаряване на изолацията на двигателя. Съответният пик се явява и при въртящия момент, което пък води до механични удари и натоварвания в задвижваната система.

Реакторно пускане
Използват се реактори, свързани последователно във всяка от фазите на статорната намотка. След развъртане на машината реакторът се шунтира от специално предвидения за това контактор и остава шунтиран по време на работата на двигателя (вж. фиг. 2). Този метод също е метод за пуск с понижено напрежение.

Благодарение на пада на напрежение в реактора приложеното към двигателя напрежение се намалява пропорционално на тока: I(t)/In = Uдвигател(t)/Un. Пусковият ток е намален пропорционално на приложеното напрежение: Iпуск/ILRC = Uпуск/Un, където ILRC е номиналният ток при блокиран ротор. Същевременно, въртящият момент се намалява в квадратична зависимост от приложеното напрежение: M(t)/Mn = (Uдвигател(t)/Un)2.
Индуктивността на реактора може да бъде изчислена, използвайки съотношенията Un-Uпуск = Ц3xIпуск x 2pf x L и Iпуск/ILRC = Uпуск/Un.

Като максимална стойност на пусковия ток Iпуск може да се зададе тази, при която се получава максимално допустимото кратковременно понижаване на напрежението на шините на уредбата (вж. първата част на материала). Стандартно произвежданите реактори за реакторно пускане имат няколко стъпала за избор на стойност на реактанса. Избраният реактор трябва също така да не достига насищане в нито един момент от пусковия процес. В противен случай той ще произведе токове, достигащи и надминаващи пусковия ток при директен старт.

Характерно за този пусков метод е, че падът на напрежение в реактора намалява плавно с намаляването на пусковия ток. Така се реализира плавно пускане. Осигурява се достатъчен въртящ момент по време на ускоряването на товара. Механичната характеристика на задвижването е естествено съгласувана с тези на товарите с квадратична зависимост на момента от оборотите.

При правилно оразмерени системи целият процес на развъртане трябва да протече с включен реактор; в момента на шунтирането му работната точка на двигателя е в работната зона на механичната характеристика (дясната част); в тази зона големината на тока и на въртящия момент са близки до номиналните и техните пикови стойности по време на превключването не са големи – вж. фиг. 4а и 4б (по отношение на този аспект от оразмеряването на задвижванията критериите за реакторно и за автотрансформаторно пускане са идентични).

Главният недостатък на метода е неприложимостта му за товари с висок начален съпротивителен момент поради силно намаления начален пусков момент. Също така не се избягват напълно пиковете на тока и момента по време на превключване. Прилагането на стандартно оборудване без щателен инженерен анализ на електрическата уредба и механичната характеристика на товара крие риск от възникване на пренапрежения и пикове на тока и момента по време на преходни процеси.

Автотрансформаторно пускане
И това е метод за пускане с понижено напрежение. Принципната схема на най-разпространения вариант - т.нар схема Корндорфер, е показана на фиг. 3а. Последователността на превключване е следната:

• Първо стъпало на развъртане: Включва се контакторът в неутралата КSN; по сигнал от негов блок-контакт се включва стартов контактор КSL. Двигателят се развърта с напрежение Uпуск, намалено спрямо мрежовото напрежение Un с коефициента на трансформация на автотрансформатора.
• Второ стъпало на развъртане: Изключва се контактор КSN. Напрежението, подавано към двигателя, остава намалено със стойността на пада на напрежение в индуктивността на автотрансформатора.
• Работен режим: Включва се линейният контактор КL; по сигнал от негов блок-контакт се изключва стартов контактор КSL.

Второто стъпало нормално е краткотрайно, тъй като, в зависимост от индуктивността на автотрансформатора, напрежението на клемите на двигателя може да стане по-малко от това по време на първото стъпало, т.е. започва процес на забавяне на двигателя. Въпреки това, тази стъпка от процеса е нужна, за да се изпълни последователността на изключване на автотрансформатора от схемата.

Опростени схеми без контактор в неутралата на автотрансформатора съществуват, но те имат много по-голям недостатък - при тях се изисква първо да се изключи линейният стартов контактор КSL и тогава да се включи работният линеен контактор. При включването възникват пикове на тока, които могат да достигнат и надминат стойността на пусковия ток при директно пускане, а също и пренапрежения, опасни за изолацията СН. Затова такива схеми не намират приложение в задвижванията СН.

Нещо повече - и при схемата Корндорфер са налице пикове на тока, въртящия момент и напрежението по време на преходните процеси както при изключване на контактора в неутралата на автотрансформатора, така и в момента на превключване към пълно мрежово напрежение. За минимизиране на тези явления при първото превключване са предложени модификации на схемата Корндорфер (“централният” контактор KSL2 изключва заедно с КSN) и допълнителни катодни отводители – фиг. 3б.

Ограничаването на пренапреженията при преминаване към мрежово напрежение, както при реакторното пускане, се постига като системата се оразмери така, че включването на пълно напрежение да стане в работната зона на механичната характеристика – вж. фиг. 4а и 4б. Това условие, наред с необходимостта от осигуряване на достатъчно голям пусков момент, ограничава степента, до която може да бъде понижено напрежението при автотрансформаторно пускане.

Стандартно произвежданите пускови автотрансформатори имат няколко стъпала за избор на коефициент на трансформация. Съществуват и по-сложни схеми с последователно превключване на няколко отклонения на автотрансформатора.

Предимството на автотрансформаторното пред реакторното пускане е, че при един и същи пусков ток, пусковият момент е по-голям – и токът и моментът са в квадратична зависимост от напрежението, респективно от коефициента на трансформация (Iпуск/ILRC =(U2AT/Un)2, Mпуск/MLRC =(U2AT/Un)2), докато при реакторното пускане намаляването на тока е пропорционално на напрежението, а намаляването на момента – на квадрата от напрежението.

Също така, оразмеряването на автотрансформатора не е толкова чувствително към изменение параметрите на двигателя при бъдещи реконструкции, стига, разбира се, мощността на двигателя да остане в границите на мощността на автотрансформатора.
Автотрансформаторното пускане не е много подходящо за процеси с голяма честота на пускане/спиране. В този случай се налага преоразмеряване на автотрансформатора заради прегряването.

Пускане със софтстартер
Това е метод за пуск с понижено напрежение с помощта на тиристорни ключове, свързани последователно в захранващата линия на двигателя или последователно на всяка от намотките, свързани в триъгълник. Във втория случай свързването в триъгълник се извършва извън клемната кутия на двигателя; схемата дава възможност за използване на софтстартер с Ц3 пъти по-малък номинален ток.

Опростената принципна схема и формата на изходното напрежение на софтстартер са показани на фиг. 5. Напрежението, подавано към двигателя, се намалява, като се изменя ъгълът на включване на тиристорите – симетрично за положителната и отрицателната вълна на напрежението. Съществуват опростени схеми с един тиристор и обратно включен диод, но те не са препоръчителни и тъй като са несиметрични и генерират четни хармоници.

В софтстартерите за средно напрежение обикновено се използват по два или повече тиристора, включени последователно във всяко рамо, като така мрежовото напрежение се разпределя между тях и могат да се използват по-евтини тиристори с по-ниско номинално напрежение. Типичната схема (на една от фазите) е показана на фиг. 6.

R-C групите служат за изглаждане на пиковете, възникващи в моментите на комутация на тиристорите и за равномерно разпределяне на напрежението между последователните тиристори. Конструкцията на един софтстартер включва още платки за управление на тиристорите, контролер, радиатори, охлаждащи вентилатори, токови трансформатори (опционално), байпасен контактор (опционално).

Бидейки пусков метод с намалено напрежение, софтстартерното пускане също е съпроводено с намаляване на въртящия момент. Оттук идват и ограниченията, характерни и за описаните досега методи - при товари с прекалено големи начален съпротивителен момент и маса трябва да се търси или преоразмеряване на двигателя и пусковите устройства, или да се търсят други типове двигатели и пускови методи. Големите му предимства пред останалите пускови методи са:

• Плавно, управляемо развъртане без превключвания с придружаващите ги пикове на тока и въртящия момент.
• Възможност за програмиране на пусковия метод в зависимост от конкретния товар.
• Лесен избор на фабрично-произвеждано оборудване и възможност за лесна настройка и последваща адаптация към променливи параметри на двигателя и товара.
• Възможност за използване на софтстартера за динамично спиране.
• В съвременните условия цената на металите, респективно на съоръжения като трансформатори и реактори, нараства, а цената на електрониката намалява, като същевременно се увеличава диапазонът на мощности и напрежения, покриван от тиристори и транзистори.

По отношение на управлението на изходното напрежение на софтстартера има две главни групи методи:
Управление по предварително зададена функция на напрежението. Най-често това е линейно увеличаване, като се настройват началната стойност и времето за достигане на пълното мрежово напрежение. Така, предвид квадратичната зависимост на въртящия момент от напрежението се получава напасване към най-често срещания вид товари – помпи, вентилатори и т.н.

В редица устройства се предлагат различни вариации като: първоначално краткотрайно форсиране за преодоляване на началното триене; зависимости U(t), различни от линейните с цел реализиране на икономия на енергия и намаляване на топлоотделянето при товари с нисък съпротивителен момент по време на развъртането; адаптивно автоматично коригиране на зависимостта, на база данни от предишни стартове и др. При динамичното спиране се прилага линейно намаляващо напрежение.

Управление с обратна връзка по ток. За целта се изисква софтстартерът да бъде оборудван с токови трансформатори и съответните вторични вериги. Този метод на управление дава много голямо предимство за пускане с максимално възможния въртящ момент при зададено ограничение на максималната допустима стойност на тока по време на пускане (вж. фиг. 7).

Опция с байпасен контактор има много големи предимства. Този контактор се включва след пълното развъртане на товара и шунтира тиристорната схема. Това позволява редуциране на размера и мощността на елементите за отвеждане на топлината от тиристорите – радиатори, собствени и външни вентилатори и напълно елиминира генерираните нелинейни изкривявания в работен режим.

Що се отнася до нелинейните изкривявания, софтстартерите генерират умерено количество от тях - с най-голямо участие на 5-ти хармоник. Процентното съдържание на хармоници силно зависи от степента на намаляване на напрежението, т.е. е най-голямо в началния момент на пускане и намалява в процеса на развъртане.

Приложимите стандарти толерират кратковременно генериране на хармоници, така че не се налага вземане на специални мерки в това отношение. Що се отнася до смущения в работата на околни съоръжения, в почти всички случаи не се налага използването на допълнителни филтриращи устройства, а са достатъчни мерки като:

• изнасяне на софтстартера електрически по-далеч от захранващата уредба, респективно – по-близо до двигателя;
• по възможност – полагане на силовите кабели до и от софтстартера по отделни от тези на други силови и контролни кабели трасета;
• използване на екранирани кабели.

Специално при двигателите СН, чиято изолация има относително по-малък запас, е важно да се направи проверка за съвместимост на софтстартера с двигателя по данните на производителя за процента нелинейни.

Кондензаторно включване
Двигателят се пуска с включена паралелно кондензаторна батерия. Кондензаторът доставя част от необходимия реактивен ток по време на пуск, като по този начин разтоварва захранващата мрежа, респективно – намалява пада на напрежение в нея. Обикновено капацитетът на батерията се оразмерява така, че падът на напрежение на шините на захранващата уредба по време на пуск да се намали примерно наполовина.

Така се намалява влиянието на фактора краткотрайно понижаване на напрежението и може да се избере пусков метод с по-голям пусков ток, респективно – по-голям начален въртящ момент. Кондензаторно включване може да се приложи както за директно включване на двигател, така и да се комбинира с други методи за пускане на асинхронни двигатели с кафезен ротор и синхронни двигатели.

Не трябва да се допуска пренапрежение и резонансни явления от самовъзбуждане на двигателя. За целта е необходимо да се оразмери правилно кондензаторната батерия и системата да бъде снабдена с управление, което следи напрежението на шините на уредбата и/или оборотите на двигателя, и осъществява едностъпално или поетапно изключване на кондензаторите. Евентуално системата може да се използва и за компенсация на реактивната мощност в установен режим.

Статията продължава в следващия брой на сп. Инженеринг ревю

Новият брой 6/2019

брой 6-2019

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top